CN100430557C - 基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，它包括光纤传感解调单元，预埋在箱体内堤坝模型介质中的传感光缆，在传感光缆周边设堤坝渗流模拟与控制单元，此单元包括主输液管和多支伸入箱体内的分输液管，分输液管管口端部处设介质滤网及温湿度传感器传感头，主输液管上设流量控制阀，箱体底部设活动底板；它采用将传感光缆预埋在箱体内的堤坝模型介质中，从而实现对堤坝渗流监测进行模拟的技术方案，克服了现有堤坝渗流检测系统在一处安装后直接监测真实渗流需要长时间待机才能取得监测结果及更换监测地点时需要重新埋设光缆的缺陷；它适于采用定位分布式光纤温度传感监测技术用于堤坝渗流的研究，同时也可作教学实验设备之用。

Description

基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟装置，尤其是一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置。

背景技术

渗漏和管涌是堤防破坏、溃决的主要原因，对堤内温度的监测是探测和识别堤防渗流和渗漏的有效手段，尤其是近年来发展的分布式光纤温度传感系统可对数十千米长度上的温度实现空间分辨率为1米的长期连续监测，且能准确定位，特别适合河堤、水库大坝等监测。目前，国内外采用分布式光纤温度传感系统监测的对象主要有三类：第一类是管道的渗漏，第二类是发电厂或变电站的电缆，第三类是混凝土结构的大坝。对于土坝或者土石坝内的渗流采用温度监测的较少，堤防的安全问题越来越需要对大坝进行全方位的监测，基于分布式光纤温度传感系统在堤防安全监测中的应用问题急待解决。但土堤和土石堤坝与混凝土大坝无论是在结构还是在内部渗流引起介质温度的改变上都有很大的区别。如果采用选择实际的大坝进行现场试验会有以下的严重不足：堤坝的渗流和渗漏是一个由发生到发展的缓慢过程，严重时才形成管涌，用于科学研究试验期的实地长期监测不现实且有一定难度；不易找准发生或者将要发生渗漏的堤坝段；用于试验的光缆一旦埋入堤坝内则不能轻易取出，更换堤坝段时需要重新铺设光缆，费用高；对同一种渗流过程不能重复试验；渗流与光缆间的距离不能任意选取，不利于研究光缆与渗流发生点的距离对测试信号的影响。因此，构建一个堤坝渗流模拟装置，以此作为研究渗流浸润线位置分布、渗流引起的堤坝内温度场的变化规律等的平台，以便根据有用的研究结果设计传感光缆在堤防上的最佳铺设方案；研究渗漏量与光纤信号之间的关系规律，为确定堤坝安全监测预警系统的报警阈值提供依据。公开号CN1632496A为中国发明专利申请的堤坝渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置及方法，披露了采用双向耦合器、波分复用器、雪崩二极管、主放大器、采样平均器和累加器、计算机、驱动器、激光二极管组件传感光缆组成的信号采集与处理系统，此装置是在真实的堤防上布设光缆监测堤坝渗流发生与否以及渗流点的定位依赖软件系统，不能在短时间内对渗流点的渗流程度以及渗流点间距离的信号进行研究，不便于迅速改变测试对象，安装完成后不便于变更安装方式，不能很好地用作试验研究。公开号CN200320127902.9的中国实用新型专利公开的层网等压板及渗流模拟实验装置，采用骨架网层和防沙网层组成层网等压板，只为模拟渗流提供部分技术措施，不是整套模拟装置，且不能模拟单点渗流的情形，不具备分布式的监测能力。

发明内容

针对上述情况，本发明是提供一种结构简单，投资少，易操作，能快速模拟不同介质的堤坝渗流，渗流程度可控，相同工况可重复再现的基于分布式光纤温度传感监测堤坝渗流模拟装置。

为实现上述目的，一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，它主要包括光纤传感解调单元，与光纤传感解调单元连接的传感光缆，其中传感光缆预埋在箱体内堤坝模型介质中，所述传感光缆经光缆固定装置固定于箱体上，所述传感光缆周围堤坝模型介质中设有堤坝渗流模拟与控制单元，所述堤坝渗流模拟与控制单元包括一固定在箱体支架上的主输液管，此主输液管穿过箱体壁后成多支分输液管伸入箱体内堤坝模拟介质中，其分输液管管口端部处设介质滤网及固定温湿度传感器传感头的固定盘，所述温湿度传感器传感头与固定在主输液管上的显示器电连接，所述主输液管上设有各分输液管流量控制阀，所述主输液管末端设有与动力源连接的接头装置及软管，所述箱体底部设有活动底板及卸料栓。

为了实现结构优化，其进一步的措施是：

所述光缆固定装置设置于箱体两侧壁上的U型槽处，U型槽内安置传感光缆，U型槽上设有插入光缆固定装置的挡沙条。

所述的接头装置包括固定于主输液管输送端的固定法兰盘和适配于固定法兰盘的活动法兰盘及橡胶垫片，他们经螺栓夹紧于一体，所述活动法兰盘上设有圆弧槽。

所述主输液管内设有截流板，该截流板上固联至少三支分输液管。

所述的流量控制阀设有与计算机USB接口连接的控制输送端口。

所述箱体内的堤坝模型介质为沙或土壤或岩石或它们的混合物。

所述传感光缆在箱体内平行设置数段。

所述模拟装置可扩展到两套及两套以上相同结构的模拟装置。

本发明采用将传感光缆预埋在箱体内的堤坝模型介质中，从而实现对堤坝渗流监测进行模拟的技术方案，克服了现有堤坝渗流检测系统在一处安装后直接监测真实渗流需要长时间待机才能取得监测结果及更换监测地点时需要重新埋设光缆的缺陷；适于采用定位分布式光纤温度传感监测技术用于堤坝渗流的研究，同时也可作教学实验设备之用。

本发明相比现有技术具有：

1)快速确定模拟渗流点；

2)渗流程度可控；

3)能在较短时间内用相同的光缆研究不同介质的堤坝；

4)能模拟不同液体或气体的渗透；

5)渗流过程可再现；

6)传感光缆可多次使用；

7)不受自然条件影响，可连续试验；

8)渗流点与传感光缆空间位置可调，有利于研究渗流点与传感光缆间的距离对测试信号的影响和优化传感光缆布设方案等优点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明模拟装置的结构布局示意图。

图2为本发明模拟装置斜上端的透视图。

图3为图2所示模拟装置底部结构的透视图。

图4为图1所示模拟装置中堤坝渗流模拟与控制单元的主视图。

图5为图4所示截流板的主视图。

图6为图4所示接头装置的左视图。

图7为图4所示接头装置的右视图。

图8为图6所示接头装置沿A-A的剖视图。

图9为图4所示温湿度传感器固定盘的放大图。

图10为图9的左视图。

图11为图1所示传感光缆在箱体内平行设置的透视图。

图中1.光纤传感解调单元，11.传感光缆，12.光纤解调系统，13.光缆卷，14.传感光缆接头，15.终端盒，2.光缆固定装置，21.夹套，22.支承板，3.箱体，31.活动底板，32.卸料栓，33.限位块，34.挡沙条，4.堤坝渗流模拟与控制单元，41.夹紧装置，5.分输液管，51.固定套，52.介质滤网，53.固定盘，54.卡位台，55.温湿度传感器传感头，56.显示器，6.主输液管，61.流量控制阀，611.控制输送端口，62.截流板，63.圆孔，64.接头装置，641.螺栓，642.活动法兰盘，643.橡胶垫片，644.固定法兰盘，645.圆弧槽，65.蛇形软管，66.水源接口管，7.动力源。

具体实施方式

由附图可见，一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，它主要包括光纤传感解调单元1和堤坝渗流模拟与控制单元4，该光纤传感解调单元1由传感光缆11、光纤解调系统12、光缆卷13、传感光缆接头14、终端盒15组成，传感光缆11预埋在箱体3内堤坝模型介质中，传感光缆11经光缆固定装置2固定于箱体3两侧壁上的U型槽内，光缆固定装置设置在U型槽的箱体3外壁下部，U型槽上设挡沙条34插入光缆固定装置2中。光缆固定装置2包括固定传感光缆11的夹套21和支承板22，支承板22开有插入挡沙条34的限位槽，通过螺栓固定在箱体3的U型槽两侧壁上，为了使挡沙条34能够紧贴箱体3两侧壁，在箱体3两侧壁上端部增设限位块33。

参见附图，传感光缆8周围堤坝模型介质中设有堤坝渗流模拟与控制单元4，它主要由一固定在箱体支架上的主输液管6和多支分输液管5组成，分输液管5由设置在主输液管6内的截流板62固联，截流板62嵌套在主输液管6的内壁，截流板62上设固联分输液管5的圆孔63，每一圆孔63中固定一支分输液管5，本实施方式中的三个圆孔63固联至少三支分输液管5。

由附图所示，主输液管6穿过箱体壁后成多支分输液管5伸入箱体3内堤坝模拟介质中，其分输液管5管口端部处设介质滤网52及固定温湿度传感器传感头55的固定盘53，介质滤网52由固定套51固定在分输液管5管口端部和固定套51之间，而固定套51与分输液管5管口端部以螺纹的方式连接，其中温湿度传感器传感头55的固定盘53则由分输液管5上的卡位台54和固定套51夹紧在一起，温湿度传感器传感头55穿插在固定盘53的圆孔上，此固定盘53可绕分输液管5作360度旋转，当转到合适位置时拧紧固定套51，固定盘53夹紧在固定套51和卡位台54之间，温湿度传感器传感头55与固定在主输液管6上的显示器56电连接，实现温湿度的监测和对渗流流量的控制以及与传感光缆解调结果的比较，主输液管6上设有各分输液管流量控制阀61，一个控制阀控制一条分输液管5的流量，可由流量控制阀61的控制输送端口611与计算机USB接口连接实现实时控制，也可由控制阀上的控制盘手工控制，在主输液管6末端设有与动力源7输送管端连接的接头装置64，接头装置64包括固定于主输液管6输送端的固定法兰盘644和适配于固定法兰盘644的活动法兰盘642及橡胶垫片643，他们经螺栓641夹紧于一体，在活动法兰盘642上设有角度调整圆弧槽645，活动法兰盘642和固定法兰盘644在主输液管6径向位置可由角度调整圆弧槽645调整，渗流口可绕主输液管近似360°连续旋转，实现渗流口与传感光缆11垂直方向上的近似360度可调，接头装置64一端连接有蛇形软管65，松开堤坝渗流模拟与控制单元夹紧装置41，主、分输液管可由蛇形软管65调节水平方向位置，调整完毕后调节夹紧装置41，固定堤坝渗流模拟与控制单元4，实现渗流口与传感光缆11在水平方向可调。

箱体3底部设有活动底板31及卸料栓32。拔下卸料栓32，松开活动底板31，便可更换箱体3内的沙、土壤、岩石或它们的混合物等模拟堤坝介质。

本发明的工作原理及操作：

实施方式中以水为液体介质，并可在介质中加入颜色。

将传感光缆11穿过光缆固定装置2的传感光缆夹套21横跨在箱体两侧壁的传感光缆U型槽内，夹紧夹套21，把光缆固定装置2的支承板22盖在箱体3两侧壁上，把挡沙条34穿过箱体3两侧壁上端部的限位块33插入光缆固定装置2支承板22的限位槽，用螺丝固定光缆固定装置2于箱体3两侧壁上，同时把挡沙条34夹紧于支承板22与箱体3两侧壁之间。把主输液管6穿过箱体3壁，调整分输液管5管口与传感光缆11的位置，调整完毕后固定堤坝渗流和管涌模拟与控制单元4的夹紧装置41，固定主、分输液管位置，用螺栓641把接头装置64即固定法兰盘644和适配于固定法兰盘644的活动法兰盘642及橡胶垫片643夹紧于一体，再在固定法兰盘644端装上蛇形软管65，在蛇形软管65另一端装上水源接口管66，如果要调整分输液管5管口与传感光缆11的垂直方向360度角度，松开固定夹紧装置41和接头装置64的螺栓641，调整螺栓641在活动法兰盘642的角度并调整圆弧槽645的位置，调整完毕后紧固螺栓641和固定夹紧装置41，如果要调整分输液管5管口与传感光缆11的水平位置，松开夹紧装置41，挪动主输液管，其水平方向的长度由蛇形软管65补偿，调整完毕后再固定夹紧装置41。在分输液管5管口处套上温湿度传感器传感头55的固定盘53，同时盖上介质滤网52，再旋入固定套51，固定好介质滤网52和温湿度传感器传感头55的固定盘53，在温湿度传感器传感头55的固定盘53的圆孔上穿插入温湿度传感器传感头55，电连接好温湿度传感器传感头55与固定在主输液管6上的显示器56。如果要调整温湿度传感器传感头55与分输液管5管口的圆周方向的位置，松开固定套51，旋转温湿度传感器传感头55的固定盘53，调整好温湿度传感器传感头55与分输液管5管口的圆周方向的位置后再紧固固定套51，最后，盖上活动底板31，拴上卸料栓32。

往箱体3内装满介质，如沙、土壤、岩石或它们的混合物。本实施方式用沙填满箱体3并压实，连接好光纤传感解调单元1，把流量控制阀61的控制输送端口611与计算机USB接口连接，调整好流量控制阀61位置，打开动力源7开关，让渗漏介质为水的液体进入箱体3内堤坝模型介质中，然后进行数据采集和分析。当需要调整分输液管5管口与传感光缆11的位置时，拔下卸料栓32，打开活动底板31，卸下堤坝模拟介质，松开固定夹紧装置41，松开接头装置64的螺栓641，调整好分输液管5管口与传感光缆11的水平和垂直方向的位置，固定夹紧装置41，紧固接头装置64的螺栓641，再往箱体3内装介质，压实，重新测量。测量分析完毕后拔下卸料栓32，打开活动底板31，卸下堤坝模拟介质。下一次实验时重复以上步骤。如果要研究不同的传感光缆段对不同距离下的同一渗流点的探测，则在箱体3内堤坝模拟介质中平行设置数段传感光缆11，调整分输液管5管口与传感光缆11的位置，可同时实现对两段或三段或四段等多段传感光缆11对同一渗流点进行探测。如果要研究远距离和间隔很远的多段大坝监测和信号传输，所述模拟装置可扩展到至少两套及两套以上相同结构的模拟装置进行多处测量，两套装置之间可连接长距离盘绕的光缆。

光纤传感解调单元1采用一种用于实时监测光缆段上温度变化的分布式光纤传感检测系统，主要依据光纤的受激布里渊散射原理。当渗体从渗流口介质滤网52渗出达一定程度时，传感光缆11周围的温度将发生一定的变化，传感光缆11感应此变化，传感光缆11同时将信息传至光纤解调系统12，从而由光纤解调系统12判断出渗流位置及渗流程度。根据温湿度传感器测量的数据采用相应的控制方案，同时可与光纤传感解调单元1所显示的数据进行对照。

利用本发明可模拟多种渗流环境，如提高室温，模拟堤坝周围环境气候变化，也可在模拟装置上用喷头喷水，以模拟不同含水量的堤坝介质。根据室温的不同，可采用梯度法和加热法。梯度法为利用光纤直接测量渗流引起大坝和堤岸剧变的温度分布，从而确定渗流位置的方法。该方法成功应用的前提是模拟装置内的介质温度与渗流模拟与控制单元4的液体存在一定的温差。温差越大，渗流导致局部温度变化也越大，温度梯度也越大，越容易判断渗流点位置。加热法为通过金属中心保护套管或特别设置的导电体通电加热使光纤周围温度升高转而确定位置的方法。该方法不受需要温度差的条件限制。通过加热使光纤周围温度升高，当堤坝存在渗流时，该处光纤温度上升将会明显小一些，温度将会低一些，从而使渗流获得定位。

Claims (8)

1.一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，它主要包括光纤传感解调单元(1)，与光纤传感解调单元(1)连接的传感光缆(11)，其特征在于传感光缆(11)预埋在箱体(3)内堤坝模型介质中，所述传感光缆(11)经光缆固定装置(2)固定于箱体(3)上，所述传感光缆(11)周围堤坝模型介质中设有堤坝渗流模拟与控制单元(4)，所述堤坝渗流模拟与控制单元(4)包括一固定在箱体支架上的主输液管(6)，此主输液管(6)穿过箱体壁后成多支分输液管(5)伸入箱体(3)内堤坝模拟介质中，其分输液管(5)管口端部处设介质滤网(52)及固定温湿度传感器传感头(55)的固定盘(53)，所述温湿度传感器传感头(55)与固定在主输液管(6)上的显示器(56)电连接，所述主输液管(6)上设有各分输液管(5)流量控制阀(61)，所述主输液管(6)末端设有与动力源(7)连接的接头装置(64)及软管(65)，所述箱体(3)底部设有活动底板(31)及卸料栓(32)。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，其特征在于所述光缆固定装置(2)设置于箱体(3)两侧壁上的U型槽处，U型槽内安置传感光缆(11)，U型槽上设有插入光缆固定装置(2)的挡沙条(34)。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，其特征在于所述的接头装置(64)包括固定于主输液管(6)输送端的固定法兰盘(644)和适配于固定法兰盘(644)的活动法兰盘(642)及橡胶垫片(643)，他们经螺栓(641)夹紧于一体，所述活动法兰盘(642)上设有圆弧槽(645)。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，其特征在于所述主输液管(6)内设有截流板(62)，该截流板(62)上固联至少三支分输液管(5)。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，其特征在于所述的流量控制阀(61)设有与计算机USB接口连接的控制输送端口(611)。

6.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，其特征在于所述箱体(3)内的堤坝模型介质为沙或土壤或岩石或它们的混合物。

7.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，其特征在于所述传感光缆(11)在箱体内平行设置数段。

8.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传感监测堤坝渗流的模拟装置，其特征在于所述模拟装置可扩展到两套及两套以上相同结构的模拟装置。

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